Kaip žinote, reali antenos įėjimo varža (impedansas) retai būna lygi fiderio banginei varžai. Šiame rašinyje noriu parodyti kaip suderinti apkrovą su fideriu efektyviais, bet mėgėjų retai naudojamais suderinimo būdais. Toliau pavyzdžius skaičiuosiu 50 omų ašiniui kabeliui, tačiau viskas tinka ir kitokios banginės varžos kabeliui ar dvilaidei linijai.
Antenos įėjimo varža
Pirmiausia išsiaiškinsime, kas yra antenos įėjimo varža. Nors daugelis skaito, kad žino kas tai yra, bet siųlau dar kartą paskaityti. Skaitoma, kad tai nuosekliai sujungtos aktyvinė bei reaktyvinė varžos. Tačiau antenoje ar fideryje nėra realaus rezistoriaus, kondensatoriaus ar induktyvimo. Visa tai tik skaičiavimo rezultatas. Aiškumo dėlei skaitysime, kad apkrova tai juoda dėžė (nežinia kas), į kurios maitinimo gnybtus paduodame AD signalą. Tuose maitinimo gnybtuose realiai egzistuos įtampos u ir srovės i dydžiai bei jų fazių skirtumas φ. Įėjimo varža yra iš šių dydžių rastas toks aktyvios bei reaktyvios varžų sujungimo bei jų dydžių ekvivalentas, kurį prijungus vietoj juodos dėžės gausime tas pačias u, i ir φ. Žinoma, kad toks ekvivalentas gali būti tiek nuoseklus šių varžų jungimas (Zs=Rs+jXs), tiek lygiagretus (Zp=Rp||+jXp). Nesu tikras, kad matematiškai teisingai parašiau Zp išraišką su ||. Rodos kažkur buvau matęs taip parašytą. Matematikų atsiprašau, jei kas nors joje ne taip. || tik parodo, kad elementai sujungti lygiagrečiai ir daugiau nieko.
Iš įtampos ir srovės santykio galime rasti pilnutinę varžą (modulį).
Pilnutinė varža ir kampas su Rs ir Xs turi sekantį ryšį
Nuosekliai sujungtos Rs ir Xs per pilnutinę varžą bei kampą išreiškiamos sekančiai
Aktyvinė (Rs) ir reaktyvinė (Xs) varžos, sujungtos nuosekliai, yra ekvivalentinė apkrova, kurią prijungę matavimo taške gautume tokio pat dydžio įtampą, srovę bei fazių skirtumą tarp jų. Tokį patį rezultatą (tas pačias u, i ir φ) gausime ir panaudoję lygiagretų aktyvinės (Rp) ir reaktyvinės (Xp) varžų jungimą. Atkreipiu dėmesį į tai, kad bendru atveju Rs ≠Rp ir Xs ≠Xp. Kiekvienam nuosekliam aktyvinės bei reaktyvinės varžų jungimui galima paskaičiuoti jiems ekvivalentinį lygiagretų jungimą ir atvirkščiai.
Čia Rs ir Rp aktyvinė dalis esant atatinkamai nuosekliam ir lygiagrečiam jungimui, Xs ir Xp atatinkama reaktyvinė dalis. Pavyzdžiui, jei impedansas (nuoseklus jungimas) Zs=40+j30 omų, tai lygiagretaus
Dažniau yra naudojamas nuoseklaus jungimo ekvivalentas Zs (impedansas), tačiau ir lygiagretaus jungimo ekvivalentas Zp turi tokią pat praktinę reikšmę, o kurį ekvivalentą naudoti priklauso nuo praktinio poreikio, kas bus parodyta žemiau. Moksliškai šie dalykai vadinasi sekančiai: Zs impedansas, Rs rezistansas, Xs reaktansas, Zp, Rp ir Xp pavadinimų neradau. Dažniausia naudojamas terminas impedansas parodo, kad skaitinė reikšmė duodama nuoseklaus jungimo atveju. Būtent impedansu duodamos antenų įėjimo varžos. Perskaičiavimai iš nuoseklaus jungimo į lygiagretų kartais naudingi kompensuojant reaktyvinę dedamają. Reikia neužmiršti, kad skirtingai kompensuojant gaunamas skirtingas aktyvinės varžos dydis.
Perskaičiuoti iš Zs į Zp ir atvirkščiai, SBK paskaičiuoti esant kompleksinei apkrovai gerai tinka kompiuterinė programa NETCALK.
Čia taip pat galite nesunkiai perskaičiuoti Zs į Zp ir atvirkščiai ir matyti apkrovos stovinčios bangos reikšmę, jei fideris yra 50 omų.
Kyla klausimas, o kaip realiai išmatuoti šiuos parametrus. Deja, SBK-metras čia nelabai padės. Reikia naudoti prietaisą, galintį matuoti kompleksinės apkrovos parametrus. Geriausias iš man žinomų tam skirtų prietaisų yra vektorinis analizatorius VA1. Jis displėjuje gali parodyti z, φ, Rs, Xs, Rp, Xp ir dar visokių įdomių dalykų.
Reaktyvinės dalies kompensavimas
Apkrovos reaktyvinę dedamąją naudinga kompensuoti. Tai sumažina SBK. Kompensavimo esmė yra sulyginti įtampos ir srovės fazes. Fazes galima sulyginti prijungus papildomą reaktyvinį elementą tiek nuosekliai, tiek lygiagrečiai. Kompensacinio elemento reaktyvinė varža turi buti lygi apkrovos reaktyvinei varžai tik su priešingu ženklu. Kaip žinote, talpos reaktyvinė varža turi minuso ženklą, induktyvumo - pliuso. Sukompensuota yra tada, kai Xs=0 arba Xp=8. Reikia neužmiršti, kad nuoseklaus kompensavimo atveju reaktyvinės varžos paprasčiausia susideda
o lygiagretaus kompensavimo atveju
Nuoseklaus kompensavimo atveju kompensacinis elementas su paskaičiuotu apkrovos reaktyvumu sudaro nuoseklų konturą, lygiagrečio kompensavimo atveju - lygiagretų. Pilnai sukompensavus šis konturas yra rezonanse. Pvz. apkrova yra Zs=50+j30 Ω (Zp=68||+j113 Ω), SBK=2. Jei sukompensuosime reaktyvine dedamaja nuosekliai prijungdami kondensatoriu su Xc=-30 Ω, gausime Z=50 Ω ir SBK=1. Jei ta pačia apkrova kompensuosime lygiagrečiai prijugdami kondensatorių su Xc=-113 Ω, gausime Z=68 Ω (SBK=1,36).
Varžų suderinimas
Kaip jau minėjau, skirtingai kompensuodami gauname skirtingą Z, o tuo pačiu ir SBK. Pažiūrėkime, kaip 14 MHz dažnyje galime kompensuoti apkrovą Zs=22+j25 Ω (Zp=50,4||+j44 Ω), SBK=2,94. Nuosekliai prijungę kondensatorių su Xc=-25 omų gausime Z=22 Ω (SBK=2,27). Prijungę lygiagrečiai kondensatorių su Xc=-44 omų gausime Z=50,4 Ω ir SBK=1,01. Kaip matome, SBK žymiai pagerėjo ir lygiagretus kompensavimas šiuo atveju yra
neginčytinai naudingesnis. Jei ši apkrova bus prijungta prie TX, dirbančio 14MHz dažnyje, tai lygiagrečiai TX išėjimui prijungto kondensatoriaus talpa turėtų būti
Lygiagrečiai kompensuoti galima ir PI kontūro išėjimo kondensatoriumi, nes jis taip pat yra prijungtas tarp kabelio laidininkų. Padidinę jo talpą 258 pF gausime gerą TX suderinimą su apkrova (atspindžio koeficientas ρ≈0, nors kabelyje SBK=2,94.
Jei apkrova būtų Zp=50,4||-j44Ω, lygiagrečiai PI kontūro kondensatoriui reiktų prijungti 500nH induktyvumą (X=44 Ω) arba, jei yra galimybė, PI kontūro kondensatoriaus talpą 258pF sumažinti. Dalinai dėl šios priežasties ir gauname nevienodą PI kontūro išėjimo talpą prijungus apkrovos rezistorių ir realią apkrovą. Dalinai ir dėl to, kad PI kondensatoriais galima priderinti TX prie aktyvinės apkrovos nelygios 50 ar 75 omų. Jei TX derinamo PI kontūro ar tiunerio neturi, ši talpa ar induktyvumas išderina jo išėjimo filtrą.
Noriu atkreipti dėmesį į tai, kad nei PI kontūras, nei tiuneris, esantis transiveryje ar prie jo, SBK fideryje nekeičia. Jie tik priderina siųstuvo išėjimo varžą prie fiderio įėjimo varžos. Norint pagerinti SBK fideryje reikia priderinti apkrovos (antenos) varžą prie fiderio banginės varžos ir suderinimo įtaisą (jei jo reikia) prijungti tarp fiderio ir antenos.
Galima iš karto naudoti ir abu (nuoseklaus ir lygiagretaus) kompensavimo būdus. Tai priklauso nuo konkretaus atvejo.
Realios antenos suderinimo skaičiavimo pavyzdys. Turime 160 m. diapazono 20 metrų ilgio vertikalą su talpumine apkrova jo viršuje (du horizontalūs į priešingas puses einantys laidai apie 25 metrų ilgio, LY3UM naudojama antena). Naudosime 50 omų banginės varžos ašinį kabelį RG213. Išmatuotas 1,9 MHz dažnyje impedansas Zs=26+j44Ω (Zp=100||+j59Ω), SBK=3,7. Jei lygiagrečiai apkrovai (antenai) prijungsime kondensatorių su Xc=-59Ω, gautume Z=100Ω, SBK=2, jei nuosekliai prijungsime kondensatorių su Xc=44Ω, gausime Z=26, SBK=1,92. Geriau, bet tas mūsų netenkina. Nekeisdami Rs parenkame Xs tokį, kad Rp taptų lygus 50Ω. Tokiam varijantui atatinka Zs=26+j25Ω. Tokį dydį gausime nuosekliai apkrovai prijungę reaktyvumą Xs=(26+j25)-(26+j44)=-j19Ω (4,4 nF kondensatorių). Gautą Zs=26+j25Ω
perskaičiuojame į Zp=50||+j52Ω. Dabar lygiagrečiai prijunkime reaktyvumą Xp=-j52Ω, (1,6 nF kondensatorių). Gauname Z=50Ω ir SBK=1. Valio! Antena suderinta!
Visa tai galima be vargo paskaičiuoti programos "MMANA" pagalba. Visa tai rašiau tik tam, kad būtų aiškesnis suderinimo mechanizmas.
Galimas ir kitas suderinimo varijantas. Žinome, kad fideris transformuoja apkrovos varžą. APAK-EL pagalba randame, kad prie apkrovos Zs=26+j44 prijungę 4,76 m. ilgio 50Ω kabelį gausime Zs=50+j69Ω (Rtr ir Xtr). Šioje vietoje sukompensavę reaktyvinę dedamają (nuosekliai prijungę reaktyvumą Xs=-69Ω (1,2 nF kondensatorių)) taip pat gausime Z=50Ω ir SBK=1. Nuo šios vietos galime jungti bet kokio ilgio 50Ω kabelį.
Galimi ir kitokie suderinimo varijantai, tai priklauso nuo esmės supratimo ir fantazijos.
Dabar pabandysime suderinti 14MHz anteną, kurios Zs=150-j260Ω (Zp=600||-j346Ω). Kaip matome, vien kompensavimo elementu neapseisime, nes mums reikia gauti 50, o ne 150 ar 600 omų. Įvedame duomenis į APAK-EL ir randame artimiausia apkrovai tašką, kur Rtr=50.
Kaip matome, tai bus tik 30cm. nuo antenos prijungimo. Šioje vietoje turėsime Zs=50-j161. Jei mes šioje vietoje nuosekliai prijungsime induktyvumą Xl=161, gausime pilną suderinimą.
O galima ir antenos prijungimo vietoje viską suderinti. Vėl pavyzdys iš "MMANA".
Kaip matome, lygiagrečiai apkrovai prijungę 1,35µH induktyvumą ir signalą padavę per 68,5pF kondensatorių gausime taip pat gerą antenos suderinimą su kabelio bangine varža.
Šleifai
Šleifais vadinami gale užtrumpintos ar atviros fiderio atkarpos. Fiderio be nuostolių atveju jų įėjimo inpedansas neturi aktyvinės dalies ir yra grynai rektyvinis. Tokiomis fiderio atkarpomis galima naudotis kompensuojant reaktyvinę dedamąją. Tai ypač patogu lygiagretaus kompensavimo atveju. Dažniausia naudojamos iki ketvirčio bangos elektrinio ilgio fiderio atkarpos, tačiau gali būti ir ilgesnės. Fizinis linijos ilgis gaunamas elektrinį ilgį padauginant iš fiderio sutrumpinimo koeficiento. Iki ¼ λ gale užtrumpinta atkarpa turi induktyvinę dedamąją, atvira - talpuminę. Nuo ¼ iki ½ λ gale užtrumpinta atkarpa turi talpuminę dedamąją, neužtrumpinta - induktyvinę. Šiomis fiderio atkarpomis galima imituoti tiek talpą, tiek induktyvumą. Tačiau reikia nepamiršti, kad tokių šleifų reaktyvinė varža keičiasi keičiant dažnį. Dėl to suderinimas gali būti siaurajuostis. Šleifo skaičiavimo formulių neduodu - "juodą" darbą geriau tegul atlieka kompiuteris.
Praeitame pavyzdyje gavome, kad lygiagrečiai antenai reiktų prijungti 1,352µH induktyvumą. Tokį induktyvumą 14 MHz dažnyje turės 2,62m. ilgio gale užtrumpinto kabelio atkarpa.
Tą patį pavyzdį (14 MHz, Zs=150-j260Ω) suderinkime šleifais taip pat "MMANA" pagalba.
Kaip matome, jei 2,57 metro atstume (L1) nuo apkrovos prijungsime užtrumpintą 67,5 cm. šleifą (L2s), taip pat gausime gerą suderinimą (programoje neteisingai pažymėta XS - turėtų būti Xp). Taip pat suderinsime 3,82 m. atstume nuo apkrovos lygiagrečiai prijungę 728 pF kondensatorių ar 2,85 m. ilgio atvirą šleifą. Duodami ir kiti suderinimo varijantai.
Kaip matote, praktiškai viską ir įvairiai galima suderinti. Tik tam reikalingas matavimo prietaisas, na ir kompiuteris. Rankiniu būdu tai suskaičiuoti sudėtinga. Kompleksinę antenos varžą neišmatuosime nei testeriu, nei SBK matuokliu. Be šių duomenų suderinimas sudėtingas ir dažnai be rezultatų. Panašiai kaip suremontuoti radijo imtuvą turint tik lituoklį. Žinoma, suderinti vieno diapazono dipolį ar GP galima ir SBK matuoklio pagalba, bet ir tai reikia supratimo ką galima daryti, o ko ne. Bet jei norite suderinti kažką originalaus, be to teisingai, be rimtesnių matavimo prietaisų neapseisite. Apžvelgiau kai kuriuos fiderio ir antenų suderinimo būdus. Tai toli gražu ne išsamus rašinys šia tema. Bandžiau paaiškinti pagrindus supaprastintai, kaip aš tai suprantu. Gal kai kam taps aiškesni tie tamsūs anteniniai reikalai. Kai kam gali pasirodyti, kad šis straipsnis mažai suprantamas, pilnas formulių bei kompiuterijos. Nepavyko paprasčiau parašyti, nors stengiausi. Antenų mokslas nėra lengvai paaiškinamas ir suprantamas.
